简单理解memcached的内存分配

在写完《使用Memcached实现抽奖活动》这篇文章后，发现自己虽然很早就使用过 Memcached，但已经很久没有关注它的进展了，所以就全面看了下它的官方 Wiki，打算写几篇文章去理解它，今天就简单聊聊它的内存分配。

Memcached 所有的操作都是在内存中进行的，这也是它高性能和延迟低的原因之一，如果使用 malloc() 机制动态的分配内存，会产生很多的内存碎片，所以 Memcached 是自己管理内存的，在启动的时候就开启了一大块内存，然后根据规则进行分配使用，这种机制也称为 Slab allocation。

在启动的时候可以通过 -m 参数分配内存，这些内存都用于存储 item，Memcached 自身还需要一些内存（比如 Hash 表，网络连接），所以实际上 Memcached 使用的所有内存是超过 -m 参数分配的内存。

现在简单理解下 Slab allocation，在 Memcached 中，内存首先被分配给一个个 pages，每个 page 默认大小都是 1MB，假设 -m 启动参数是 64 M（后面都以 64 M 说明），那么系统就存在 64 个 page。

每个 page 被指定为 slab-class，slab-class 相当于每个 page 的属性，未被指定 slab-class 的 page 就是未分配的内存。

slab-class 决定了每个 page 存储 item 的大小，称之为 chunk，chunnk 就是用来存储 item 的，在同一个 page 中，所有的 chunk 大小是一致的。

不同的 slab-class 其 chunk 大小是不一致的，基本上是递增关系，默认是 1.25 比例的增长方式。

为了理解 page，slab-class，chunk 的关系，可以运行下列命令：

$ memcached -vv
slab class 1: chunk size 96 perslab 10922
slab class 2: chunk size 120 perslab 8738
slab class 3: chunk size 152 perslab 6898
slab class 4: chunk size 192 perslab 5461
slab class 5: chunk size 240 perslab 4369
slab class 6: chunk size 304 perslab 3449
slab class 7: chunk size 384 perslab 2730
slab class 8: chunk size 480 perslab 2184
slab class 9: chunk size 600 perslab 1747
...


slab class 1 其 chunk 大小是 96 字节，那么对应的 page 最多可以存储 10922 个 chunk。slab class 2 根据 slab class 1 * 1.25 的公示，chunk 大小是 120 个字节，对应的 page 最多可以存储 8738 个 chunk，依次类推。

需要注意的是：

• 假设 -m 是 64 M，不代表 64 个 page 全部被分配了，因为如果存储的 item 很少，很多 page 是未分配的。
• 不同的 page，其 slab-class 可能是一样的，比如所有的 item 都小于 80 字节，一旦第一个 page 存储满了，那么 Memcached 启用第二个 page 的时候，其仍然被指定为 slab-class 2。
• 如果有个 item 是 1M，那么这个 slab-class 只能存储 1 个 chunk。

每个 slab-class 都是独立的，有独立的 LRU 算法（后面介绍），统计数据也是独立的。

如果想了解下 slab-class 的使用情况，可以输入以下命令：

$ stats slabs
STAT 1:chunk_size 96
STAT 1:chunks_per_page 10922
STAT 1:total_pages 1
STAT 1:total_chunks 10922
STAT 1:used_chunks 109
STAT 1:free_chunks 10813
STAT 1:get_hits 36
STAT 1:cmd_set 109
STAT 2:chunk_size 120
STAT 2:chunks_per_page 17476
STAT 2:total_pages 2
STAT 2:total_chunks 17476


可以看出目前 Memcached 分配了 3 个 page，对应 slab-class1 和 slab-class2。第一个 page 用了 109 个 chunk，gets 请求有 36 个，很可惜没有 gets_miss 的统计数据，无法统计 slab-class 的命中率。

如果想了解 item 的详细使用情况，可以输入下列命令：

$ stats items
STAT items:1:number 108
STAT items:1:number_hot 20
STAT items:1:number_warm 0
STAT items:1:number_cold 88
STAT items:1:age_hot 251
STAT items:1:age_warm 0
STAT items:1:age 67139
STAT items:1:evicted 0
STAT items:1:evicted_nonzero 0


其中涉及了很多 LRU 的统计数据，以及命中率数据，这个后续会讲。

那么 chunk size 如果等于 96 个字节（slab-class1），代表可以存储 96 个字节的 item？并不是，每个 item 包含固定数据结构大小、item 的 key，item 对应的 data，如果要了解每个 item 数据结构的大小，可以下载 Memcached 源文件，然后进入根目录，输入如下命令：

$ ./sizes
Settings 248
Item (no cas) 48
Item (cas) 56


如果 Memcached 要支持 CAS 操作（如果不了解 CAS，参考《使用Memcached实现抽奖活动》），每个 item 的数据结构是 56 字节，也就是对于 slab-class1 来说，实际可以存储的 item 是 40 个字节，slab-class2 可以存储的 item 是 64 个字节。

如果存储的 item（包含数据结构）是 80 字节，那么存储在 slab-class1，但浪费了 16 个字节，如果存储的 item 是 140 个字节，只能存储在 slab-class2 中，浪费的字节更多，这就是它的内存分配规则。

如果对你存储的 item 大小比较了解（比如大部分处于 60-140个字节之间），为了节省内存，可以调整 slab-class 的递增因子，启动的时候输入下列命令：

$ memcached -f 1.1